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        SIBS流變性能研究

        2021-06-29 01:54:14邢立江張書會
        化學(xué)與生物工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        邢立江,張書會

        (1.中國石化巴陵石化公司橡膠部,湖南 岳陽 414014;2.中國石化巴陵石化公司物資采購中心,湖南 岳陽 414014)

        熱塑性彈性體是一類在常溫下顯示橡膠彈性、高溫下能塑化成型的高分子材料,如苯乙烯-丁烯/丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-異戊二烯/丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIBS)等,它們各具特色,應(yīng)用廣泛[1-3]。SIBS綜合了SIS和SBS的性能特點[4],彌補了兩者在某些應(yīng)用領(lǐng)域的不足,受到廣泛關(guān)注。作為粘合劑,SIBS較SIS具有更優(yōu)異的低溫性能和沖切性能;以SIBS改性的瀝青,其高溫儲存性顯著提高。作者在此探討分子鏈中間段結(jié)構(gòu)、苯乙烯與異戊二烯/丁二烯的質(zhì)量比[m(S)∶m(IB)]、異戊二烯與丁二烯的質(zhì)量比[m(I)∶m(B)]、分子鏈中間段苯乙烯加入量、分子量及溫度對SIBS流變性能的影響,為改善SIBS的加工性能提供幫助。

        1 實驗

        1.1 材料與試劑

        SIS-1209,中國石化巴陵石化公司橡膠部;SIBS,自制小試樣品。

        苯乙烯、丁二烯、異戊二烯、環(huán)己烷[5]等均為聚合級;正丁基鋰為工業(yè)級。

        1.2 性能測試方法

        流變性能:參照文獻[6],采用流變儀測試流變性能。

        剪切速率(γ)、剪切應(yīng)力(τ)、表觀剪切黏度(η)分別按式(1)、(2)、(3)計算:

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:R1為筒料半徑,mm;v為加載速率,mm·s-1;R2為毛細管半徑,mm;F為載荷,N;L為毛細管長度,mm。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 分子鏈中間段結(jié)構(gòu)對SIBS流變性能的影響

        按分子鏈中間段異戊二烯和丁二烯聚合形式的不同,SIBS的結(jié)構(gòu)可分為嵌段均聚結(jié)構(gòu)及無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)。分別合成分子量為100 000 g·mol-1、m(S)∶m(IB)為29∶71、m(I)∶m(B)為50∶50的嵌段均聚結(jié)構(gòu)和無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS,其在180 ℃下的流變性能如圖1所示。

        圖1 嵌段均聚結(jié)構(gòu)和無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS的流變性能

        由圖1可知,嵌段均聚結(jié)構(gòu)SIBS的表觀剪切黏度比無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS的低。這是由于,無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS分子鏈交聯(lián)點較多,在受熱加工過程中分子鏈強度容易保持,流變性能較差;而嵌段均聚結(jié)構(gòu)SIBS分子鏈交聯(lián)點較少,在受熱加工過程中分子鏈強度容易降低,流變性能較好[7]。因此,嵌段均聚結(jié)構(gòu)SIBS的加工性能優(yōu)于無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS。

        2.2 m(S)∶m(IB)對SIBS流變性能的影響

        分別合成分子量為110 000 g·mol-1、m(I)∶m(B)為50∶50,m(S)∶m(IB)分別為29∶71、15∶85的無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS,其在180 ℃下的流變性能如圖2所示。

        圖2 不同m(S)∶m(IB)SIBS的流變性能

        由圖2可知,在分子量相同、分子鏈中間段結(jié)構(gòu)相同的條件下,不同m(S)∶m(IB)的SIBS的流變性能差別不大。SIBS是兩相分離結(jié)構(gòu)[8-11],苯乙烯相和分子鏈中間彈性段共同影響其流變性能。

        2.3 m(I)∶m(B)對SIBS流變性能的影響

        分別合成分子量為100 000 g·mol-1、m(S)∶m(IB)為29∶71,m(I)∶m(B)分別為80∶20、60∶40、50∶50的嵌段均聚結(jié)構(gòu)SIBS,其在180 ℃下的流變性能如圖3所示。

        圖3 不同m(I)∶m(B)SIBS的流變性能

        由圖3可知,隨著m(I)∶m(B)的增大,SIBS的表觀剪切黏度降低,流變性能逐漸提高,但表觀剪切黏度均高于SIS-1209。這是由于,異戊二烯有甲基存在,而高分子鏈中有烯丙基支鏈存在,使得分子纏結(jié)的可能性減小,分子間作用力減弱,導(dǎo)致表觀剪切黏度降低,流變性能好。

        2.4 分子鏈中間段苯乙烯加入量對SIBS流變性能的影響

        分別合成分子量為70 000 g·mol-1、m(S)∶m(IB)為30∶70、m(I)∶m(B)為50∶50,分子鏈中間段苯乙烯加入量分別為10%、20%、30%的無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS,其在180 ℃下的流變性能如圖4所示。

        圖4 分子鏈中間段加入不同量苯乙烯SIBS的流變性能

        由圖4可知,當(dāng)分子鏈中間段苯乙烯加入量大于20%(以苯乙烯總量計)時,表觀剪切黏度明顯下降。這是因為,苯乙烯流變性能好,加入到分子鏈中間段后能均勻分布其中,從而改善中間彈性段的流變性能,表觀剪切黏度降低。

        2.5 分子量對SIBS流變性能的影響

        分別合成m(S)∶m(IB)為30∶70、m(I)∶m(B)為50∶50的不同分子量的無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)SIBS,其在180 ℃下的流變性能如圖5所示。

        圖5 不同分子量SIBS的流變性能

        由圖5可知,不同分子量SIBS的流變性能差異較大,低分子量SIBS的表觀剪切黏度較高分子量SIBS的低一些。這是由于,分子量越高,分子鏈纏結(jié)越多,有些易先解纏,且隨著剪切速率的加快,解纏越多,黏度降低越多,黏度的剪切依賴性越大。

        2.6 溫度對SIBS流變性能的影響

        溫度是高分子聚合物后續(xù)加工過程關(guān)注的重點,流變性能可以提供科學(xué)有效的加工數(shù)據(jù)參考。分別合成分子量為100 000 g·mol-1、m(S)∶m(IB)為29∶71、m(I)∶m(B)為50∶50、分子鏈中間段加入和未加入苯乙烯的SIBS,其在不同溫度下的流變性能如圖6所示。

        圖6 2種SIBS在不同溫度下的流變性能

        由圖6可知,溫度對2種SIBS的表觀剪切黏度影響均較大,表觀剪切黏度隨著溫度的升高而下降,其中加入苯乙烯SIBS的表觀剪切黏度下降得更快一些,當(dāng)溫度從160 ℃升高到180 ℃時,SIBS的表觀剪切黏度下降15%左右,表明溫度對加入苯乙烯SIBS的流變性能的影響更顯著。因此,在實際加工過程中,如需降低聚合物的熔融黏度,通??梢蕴岣呒庸み^程中的剪切速率和溫度。

        由圖6還可知,分子鏈中間段加入和未加入苯乙烯SIBS的表觀剪切黏度均隨剪切速率的加快而下降,加入苯乙烯SIBS的表觀剪切黏度下降得慢一些。這是因為,分子鏈中間段加入苯乙烯后,由于苯環(huán)的存在,位阻相應(yīng)增大,分子鏈剛性增強,所以當(dāng)剪切速率改變時,流動阻力變化不大。

        3 結(jié)論

        SIBS在高溫熔融狀態(tài)下,表觀剪切黏度隨溫度升高、剪切速率加快而降低,與其自然對數(shù)值呈線性下降關(guān)系,屬于假塑性非牛頓流體。分子鏈中間段為嵌段均聚結(jié)構(gòu)的SIBS的加工性能優(yōu)于無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)的SIBS;苯乙烯與異戊二烯/丁二烯的質(zhì)量比對SIBS的流變性能影響較小;隨著分子鏈中間段異戊二烯與丁二烯質(zhì)量比的增大,SIBS的表觀剪切黏度逐漸降低;在分子鏈中間段加入苯乙烯后,SIBS的表觀剪切黏度明顯下降,加工性能變好;低分子量SIBS的表觀剪切黏度較高分子量SIBS的低一些;溫度對SIBS的表觀剪切黏度影響較大。因此,在加工過程中,提高加工溫度和加快剪切速率具有同樣的效果。

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